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Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 1 Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur matériaux plastiques Delphine BECHEVET.

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1 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 1 Contribution au développement de Tags RFID, en UHF et Microondes, sur matériaux plastiques Delphine BECHEVET Directeur de thèse : Smaïl TEDJINI Co-directeur de thèse : Tan-Phu VUONG Laboratoire de Conception et dIntégration des Systèmes (LCIS) Valence

2 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 2 Partenaires et financement

3 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 3 Vous avez dit "TAG"? Les codes à barres: étiquettes passives Tags RFID : étiquettes intelligentes Sans contact Communication à distance sans besoin de visibilité Identification de plusieurs objets et en volume Possibilité d'écrire des données

4 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 4 SOMMAIRE (1/2) Constitution dun tag RFID Contexte Principe de fonctionnement général Objectifs Méthodologie mise en place Caractérisation des matériaux pour antennes Propriétés magnétiques Propriétés diélectriques Propriétés conductrices

5 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 5 SOMMAIRE (2/2) Antennes à bas-coût Conception Réalisation Comparaison mesures – simulation Démonstrateur de tag RFID à bas-coût Miniaturisation Intégration Résultats

6 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 6 Contexte : RFID Quelques domaines d'applications RFID Alimentaire / Santé Validation de la chaîne du froid Justice / Sécurité Pers.liberté conditionnelle Vol, contrefaçon Papiers ID, billets banque Transports Suivi de marchandises Industrie Gestion de stocks Services vétérinaires Suivi des données des animaux domestiques Transports (humains) En commun Autoroutiers Constitution d'un tag RFID (1/6)

7 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 7 Principe de fonctionnement général(1/2) Communication Constitution d'un tag RFID (2/6) Données Energie et commande Couverture de lecture et d'écriture Appareil de lecture et d'écriture Antenne pour la lecture et l'écriture Application Tag Actif Passif

8 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 8 Principe de fonctionnement général(2/2) Les fréquences Valeurs maximales du champ f 125 kHz MHz MHz ~900 MHz 2.45 GHz 5.8 GHz λ/21.2 km11 m35 cm16 cm6 cm2.5 cm Bande de fréquences (MHz)Valeur imposée par la norme dB.µA / 10 m mW ERP – mW EIRP – mW EIRP mW EIRP Constitution d'un tag RFID (3/6) ERP = Equivalent Radiated Power EIRP = Effective Isotropic Radiative Power Champ proche Champ lointain Distance de lecture

9 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 9 Objectif 1 : tag à bas-coût Constitution d'un tag RFID (4/6) Substrat Puce électronique Connexion Antenne : conducteur sur substrat f = MHz f ~900 MHz à bas-coût

10 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 10 Objectif 1bis : antenne à bas-coût Constitution d'un tag RFID (5/6) Substrat Plastiques Conducteur Matières "non nobles" Propriétés matériaux Fonctionnement de l'antenne! À 900 MHz 2.45 GHz (5.8 GHz) Peu ou pas connues Méthode de réalisation Industrielle

11 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 11 Miniaturisation d'antennes Caractérisation des paramètres du: substrat conducteur Conception dantenne simple Réalisation dantennes Comparaison NON Modélisation Méthodologie mise en place OUI Intégration dantennes à bas-coût dans un système RFID Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres dantennes Constitution d'un tag RFID (6/6)

12 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 12 Permittivité diélectrique complexe Paramètres du substrat Caractérisation des matériaux (1/12) Motif d'antenne Efficacité de rayonnement de l'antenne Perméabilité magnétique Permittivité diélectrique Facteur de pertes diélectriques

13 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 13 Facteur de pertes diélectriques le plus petit possible (ref. matériaux RF) : tanδ ~10 -3 Choix des matériaux pour le substrat Caractérisation des matériaux (2/12) Base de donnéesPartenaires 9 matériaux disponibles ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène) PA6 et 12 (PolyAmide) PBT (PolyButhylène Téréphtalate) PC (PolyCarbonate) PE, LD et HD (PolyEthylène) PMMA (PolyMéthyle Méthacrylate) PS (PolyStyrène)

14 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 14 Propriétés magnétiques Mesure de la perméabilité Caractérisation des matériaux (3/12)

15 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 15 Cavité fermée, vue de côtéCavité ouverte, vue de dessus Échantillon Mesure de la permittivité Cavité électromagnétique (EM) Propriétés diélectriques (1/5) Caractérisation des matériaux (4/12)

16 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 16 mnpf r théorique (GHz) Mode Mode Caractérisation des matériaux (5/12) Propriétés diélectriques (2/5) Mesure de la permittivité : Cavité EM: simulation entre 2 et 3 GHz

17 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 17 Caractérisation des matériaux (6/12) Propriétés diélectriques (3/5) Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbations Cavité EM : simulation entre 2 et 3 GHz Nécessité de calibrer : matériau de référence

18 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 18 TE 101 TE 102 ΔfΔf ΔS 21 Caractérisation des matériaux (7/12) Propriétés diélectriques (4/5) Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbations Cavité EM : mesures entre 2 et 3 GHz

19 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 19 PlastiqueHDPELDPEPCABSPMMAPA12PA6PBTPS tanδ x Caractérisation des matériaux (8/12) Propriétés diélectriques (5/5) Mesure de la permittivité : méthode des petites perturbations Cavité EM : exploitation à 2.45 GHz Matériau de référence: duroïd ε'=3.5, tanδ = 1.8x10-3

20 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 20 Miniaturisation d'antennes Caractérisation des matériaux: substrat conducteur Conception dantenne simple Réalisation dantennes Comparaison Modélisation Suivi de la méthodologie Intégration dantennes à bas-coût dans un système RFID Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres dantennes Caractérisation des matériaux (9/12)

21 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 21 Mesure de l'épaisseur et de la conductivité Épaisseur h max h min h moyenne Caractérisation des matériaux (10/12) Propriétés conductrices (1/3)

22 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 22 = R (Ω) (S.m -1 ) (m) = R x h (Ω.m) Caractérisation des matériaux (11/12) Propriétés conductrices (2/3) Mesure de l'épaisseur et de la conductivité Conductivité

23 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 23 Mesure de la conductivité d'encre déposée 1 er groupe d'encre conductrice sur plastiques 2 nd groupe d'encre conductrice sur plastiques ÉchantillonPBT1PBT2PC5PC6 h (µm) σ x10 4 (S.cm -1 ) δ (µm) ÉchantillonPC5PC6PC7PC8 h min (µm) h max (µm) σ x10 4 (S.cm -1 ) δ (µm) Référence: σ Cu = 5.88x10 5 S.cm -1 Propriétés conductrices (3/3) Caractérisation des matériaux (12/12)

24 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 24 Miniaturisation d'antennes Caractérisation des matériaux: substrat conducteur Conception dantenne simple Réalisation dantennes Comparaison Modélisation Suivi de la méthodologie Intégration dantennes à bas-coût dans un système RFID Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres dantennes

25 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 25 Pré-calculs : utilisation de formules analytiques Conception d'antennes patch rectangulaires(1/3) Antennes à bas-coût (1/12) Adaptation à 50Ω

26 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 26 Antennes à bas-coût (2/12) Conception d'antennes patch rectangulaires(2/3) Optimisation de la géométrie, adaptation : CST Microwave Studio Intégration des paramètres mesurés : ε, tanδ, σ Plastique PC (PolyCarbonate)

27 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 27 ~4dB Résultats: S 11, BP, G, D, efficacité Antennes à bas-coût (3/12) Conception d'antennes patch rectangulaires(3/3) Plastique PBT (PolyButylène Téréphtalate) Seuil (normalisé) BP Plastique PC (PolyCarbonate)

28 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 28 Miniaturisation d'antennes Caractérisation des matériaux: substrat conducteur Conception dantenne simple Réalisation dantennes Comparaison Modélisation Suivi de la méthodologie Intégration dantennes à bas-coût dans un système RFID Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres dantennes Antennes à bas-coût (4/12)

29 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE mm mm Réalisation d'antennes Antennes à bas-coût (5/12) Dépôt d'encre conductrice sur plastique : sérigraphie

30 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 30 Miniaturisation d'antennes Caractérisation des matériaux: substrat conducteur Conception dantenne simple Réalisation dantennes Comparaison Modélisation Suivi de la méthodologie Intégration dantennes à bas-coût dans un système RFID Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres dantennes Antennes à bas-coût (6/12)

31 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE ° 11.25° 0° Plastique PC – EC-Ag, 1 er groupe ParamètresSimulationMesureΔ |simulation – mesure| S 11 (dB) BP (%) ROS f (GHz) MHz G (dB) Mesures d'antennes (1/5) Antennes à bas-coût (7/12) Seuil

32 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 32 Antennes à bas-coût (8/12) Mesures d'antennes (2/5) Décalage fréquentiel: prise en compte des incertitudes

33 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 33 GAIN d'antenne sur PC : Simulation : 6.47 dB Mesure environnement bruité: 2.29 dB Mesure chambre anéchoïde: 5.75 dB Antennes à bas-coût (9/12) Mesures d'antennes (3/5)

34 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 34 Plastique PC1 er groupe2 nd groupe S 11 (dB) S 21 (dB) ROS G (dB) BP(%) Plastique PC-EC-Ag 1 er groupe 2 nd groupe Antennes à bas-coût (10/12) Mesures d'antennes (4/5) Seuil

35 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 35 Antennes à bas-coût (11/12) Mesures d'antennes (5/5) Seuil Autres matières conductrices Encre Carbone (σ~1 S.cm -1 ) Ruban adhésif en aluminium, colle non-conductrice (RA-Al) Ruban adhésif en cuivre, colle conductrice (RA-Cu)

36 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 36 EC-Ag1EC-Ag2EC-CRA-AlRA-Cu Facilité de réalisation / Coût h > δ (µm) Bonne conductivité (σ > 10 4 S.cm -1) Paramètres de réflexion (ROS < 2) Gain > 2 dB Bilan des antennes étudiées Ec-Ag = Encre conductrice Argent Ec-C = Encre conductrice Carbone Ra-Al= Ruban adhésif Aluminium Ra-Cu= Ruban adhésif Cuivre Antennes à bas-coût (12/12)

37 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 37 Miniaturisation d'antennes Caractérisation des matériaux: substrat conducteur Conception dantenne simple Réalisation dantennes Comparaison Modélisation Suivi de la méthodologie Intégration dantennes à bas-coût dans un système RFID Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres dantennes

38 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 38 Miniaturisation d'antennes (1/6) Pourquoi miniaturiser? Taille élevée: f ~900 MHz => λ/2 ~15 cm (!!!) Antenne = motif conducteur sur substrat Miniaturisation Motif Fractales Repliement de dipôles Substrat Matériau à forte permittivité Utilisation de matériaux composites main droite (RH)-main gauche (LH): CRLH-M Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (1/11)

39 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 39 Miniaturisation d'antennes (2/6) Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (2/11) RH LH RH LH Matériaux CRLH RH : ε > 0, μ > 0 LH : ε < 0, μ < 0

40 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 40 Matériaux CRLH Miniaturisation d'antennes (3/6) Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (3/11) LRLR CRCR CLCLL LRLR CLCL CRCR L Patch Plan de masse Substrat Via CRCR L

41 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 41 Matériaux CRLH Rayon du via de RPA (mm)f (GHz)S 11 (dB)D (dBi)G (dB)e r (%)e t (%) Sans via Miniaturisation d'antennes (4/6) Démonstrateur de tag RFID à bas coût (4/11)

42 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 42 Matériaux CRLH f (GHz)S 11 (dB)G (dB) Non replié r = 0.2 mm Replié r = 0.20 mm Replié r = 0.12 mm Replié r = 0.10 mm Miniaturisation d'antennes (5/6) Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (5/11)

43 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 43 Méthode de miniaturisation FormeRétrécissement (%) Géométrie fractale 25 Fente à ruban conducteur41 CRLH-M 44 Dipôle replié 61 Miniaturisation d'antennes (6/6) Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (6/11)

44 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 44 Miniaturisation d'antennes Caractérisation des matériaux: substrat conducteur Conception dantenne simple Réalisation dantennes Comparaison Modélisation Suivi de la méthodologie Intégration dantennes à bas-coût dans un système RFID Mesure de la géométrie des antennes Mesure des paramètres dantennes Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (7/11)

45 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 45 Principe: rétromodulation ("backscattering") Modulation de charge Intégration antenne – puce (1/2) P inc P ref Z L varie => I varie => P ref varie I Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (8/11) => P ref = P abs

46 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 46 Puce RFID utilisée Lecture / Ecriture Mémoire de 1 kbits Application Gestion de stocks … f (MHz) P ERP max (W) ContinentD lecture max (m) D écriture max (m) – européen – européen – nord - américain – asiatique64.8 f (GHz) Z (état 1) (Ω) 11 - j – j – j j.28 Z (état 2)(Ω)12 – j – j – j – j.34 Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (9/11) Intégration antenne – puce (2/2)

47 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 47 Résultats à 868 MHz f (MHz)868 S 11 (dB) ROS1.008 BP (%)13.1 G (dB)0.877 D (dBi)1.987 e r (%)79.1 e t (%) mm mm Modélisation de tags (1/2) Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (10/11) S1,1:

48 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 48 Résultats à 2.45 GHz f (GHz)2.45 S 11 (dB) ROS1.255 BP (%)1.35 G (dB)3.113 D (dBi)4.228 e r (%)76.4 e t (%) mm 63.6 mm Démonstrateur de tag RFID à bas-coût (11/11) Modélisation de tags (2/2)

49 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 49 Conclusion Intégration antenne – puce Antennes à bas-coût ? Caractérisation des substrats : ε'(ω), tanδ(ω) Caractérisation des conducteurs : h, σ Méthode de réalisation Miniaturisation Tag RFID UHF, µonde à bas coût PC PBT EC-Ag Sérigraphie Dipôle replié Impédance Adaptation

50 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 50 Pour l'avenir… Des substrats peu coûteux : Plastiques (perméables, souples) Papiers Textiles Matériaux recyclés … Des matières conductrices peu coûteuses : Encres conductrices Polymères conducteurs … Conception d'antennes : Miniaturisation Multifréquences Conformance … D'autres méthodes de dépôt : Tampographie Impression numérique … Méthodologie : Vision globale d'un système QUID des TAGS RFID et de l'ÉTHIQUE ? Autres application à communication sans fil Bluetooth Wifi

51 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 51 REMERCIEMENTS

52 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 52 Contexte: traçabilité et identification Traçabilité Norme ISO « Aptitude à retrouver lhistorique, lutilisation ou la localisation dun article ou dune activité [..] au moyen dune identification enregistrée » Suivi de la création à la destruction dun produit Identification Inscriptions dans la pierre Écritures sur papyrus, peaux, papiers Codes à barres RFID Constitution d'un tag RFID à bas-coût (1/)

53 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 53 Plastique PBT- EC-Ag, 1 er groupe ParamètresSimulationMesureΔ |simulation – mesure| S 11 (dB) BP (%) ROS f (GHz) MHz G (dB) Antennes bas-coût (6/11) MESURES

54 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 54 Principe: rétrodiffusion ("backscattering") RCS et modulation de charge Intégration antenne – puce (1/3) P inc P ray Z L varie => I varie => S ray varie = σ varie I Démonstrateur de tag à bas-coût (8/12)

55 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 55 Principe: adaptation d'impédance Différentes méthodes d'adaptation Exemple: modulation BPSK Impédance de la puce : Etat 1 : Z 1 = Re 1 – j.Im 1 Etat 2 : Z 2 = Re 2 – j.Im 2 Impédance de lantenne : Z ant = Re ant + j.Im ant Un seul état Le milieu des deux états Démonstrateur de tag à bas-coût (10/12) Intégration antenne – puce (3/3)

56 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 56 Matériaux CRLH MINIATURISATION d'ANTENNES Démonstrateur de tag (X/X)

57 Le 09/12/2005 LCIS-INPG-ESISAR- VALENCE 57 Antenne à fente MINIATURISATION d'ANTENNES Démonstrateur de tag (X/X)


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